電磁波検出素子
【課題】ショットキーバリアダイオードとアンテナとのインピーダンスミスマッチを低減することができる電磁波検出素子を提供する。
【解決手段】電磁波検出素子は、基板１１に設けられたショットキーバリアダイオード１１１、１１２とアンテナとを含む。アンテナが、分割された第一導電要素１０１と第二導電要素１０２、分割された第三導電要素１０３と第四導電要素１０４、第一及び第三導電要素を電気的に接続する第一接続部１０５、及び第二及び第四導電要素を電気的に接続する第二接続部１０４を含む。第一導電要素と第二導電要素、及び第三導電要素と第四導電要素が、夫々、電磁波の入射方向に沿って隔たった基板１１上の複数の面に形成される。ショットキーバリアダイオードが、第一導電要素と第二導電要素との間に電気的に接続されて設けられる。
【解決手段】電磁波検出素子は、基板１１に設けられたショットキーバリアダイオード１１１、１１２とアンテナとを含む。アンテナが、分割された第一導電要素１０１と第二導電要素１０２、分割された第三導電要素１０３と第四導電要素１０４、第一及び第三導電要素を電気的に接続する第一接続部１０５、及び第二及び第四導電要素を電気的に接続する第二接続部１０４を含む。第一導電要素と第二導電要素、及び第三導電要素と第四導電要素が、夫々、電磁波の入射方向に沿って隔たった基板１１上の複数の面に形成される。ショットキーバリアダイオードが、第一導電要素と第二導電要素との間に電気的に接続されて設けられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整流素子を用いた電磁波検出素子に関し、特には、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０GHz以上３０THz以下、以下同様な意味で用いる）の周波数領域内の周波数帯における電磁波検出素子及びそれを用いた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波帯からテラヘルツ帯までの電磁波検出素子として、熱型検出素子や量子型検出素子がこれまで知られている。熱型検出素子としては、マイクロボロメータ（a-Si、VOxなど）、焦電素子（LiTaO３、TGSなど）、ゴーレイセルなどがある。こうした熱型検出素子は、電磁波のエネルギーによる物性変化を熱に変換し、温度変化を熱起電力、抵抗などに変換の上、検出する素子である。冷却を必ずしも必要としない一方、熱交換を利用するため応答が比較的遅い。量子型検出素子としては、真性半導体素子（MCT（HgCdTe）光伝導素子など）や不純物半導体素子などがある。こうした量子型検出素子は、電磁波をフォトンとして捕らえ、バンドギャップの小さい半導体の光起電力或いは抵抗変化を検出する素子である。応答が比較的速い一方、この様な周波数領域における室温の熱エネルギーは無視できないため冷却を必要とする。
【０００３】
そこで、最近では、応答が比較的速く冷却の不要な検出素子として、整流素子を利用したミリ波帯からテラヘルツ帯までの電磁波検出素子の開発が行われている。この検出素子は、電磁波を高周波電気信号として捕らえ、アンテナなどによって受信した高周波電気信号を整流素子によって整流して検出する。特許文献１はこうした検出素子を開示している。受信アンテナとしては、非特許文献１に開示される様に、スパイラルアンテナなどの平面アンテナが知られており、２．５THzや２８．３THzの電磁波を受信している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９-１６２４２４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｈ．Ｋａｚｅｍｉ ｅｔ ａｌ， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．６５４２，６５４２１Ｊ（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のショットキーバリアダイオードを利用した検出素子において、ショットキーバリアダイオードの素子抵抗は、平面アンテナのインピーダンスより大きくなってしまう。これは、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域に対応するためには素子構造の微細化が必要であり、素子を流れることのできる電流が制限されてしまうことに由る。そのため、インピーダンスの小さな従来の平面アンテナとのインピーダンスミスマッチが課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みて、本発明の電磁波を検出する検出素子は、基板に設けられたショットキーバリアダイオードとアンテナとを含み、次の特徴を有する。アンテナは、分割された第一導電要素と第二導電要素、分割された第三導電要素と第四導電要素、第一導電要素と第三導電要素を電気的に接続する第一接続部、及び第二導電要素と第四導電要素を電気的に接続する第二接続部を含む。また、第一導電要素と第二導電要素、及び第三導電要素と第四導電要素は、夫々、電磁波の入射方向に沿って隔たる基板上の複数の面に形成され、ショットキーバリアダイオードは、第一導電要素と第二導電要素との間に電気的に接続されて設けられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電磁波検出素子によれば、電磁波の入射方向に沿って異なるレベル位置にある複数の面に跨ってアンテナを形成している。従って、従来の検出素子における平面アンテナよりインピーダンスの大きいアンテナとでき、ショットキーバリアダイオード素子とのインピーダンスミスマッチを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１に係る検出素子の構成を示す図。
【図２】実施形態２に係る検出素子を説明する図。
【図３】実施形態３に係る検出素子の構成を示す断面図。
【図４】実施形態４に係る検出素子の構成を示す断面図。
【図５】本発明の実施例１に係る検出素子の構成とシミュレーション結果を示す図。
【図６】実施例２に係る検出素子の構成とシミュレーション結果を示す図。
【図７】実施例１の変形例に係る検出素子のシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の電磁波検出素子では、電磁波の入射方向に沿って隔たった異なるレベル位置にある複数の面に跨ってアンテナを形成することが特徴である。こうした考え方に基づき、本発明の電磁波検出素子の基本的な構成は、上記の如き構成を有する。
【００１１】
本発明の電磁波検出素子の考え方について更に説明する。アンテナなどによって受信した電磁波による高周波電気信号を整流素子によって整流して検出する従来の検出素子において、整流素子はショットキーバリアダイオードである。こうした構成では、例えば、ショットキー電極の面積を０.０００７μm２（直径０.０３μm）に微細加工して、CO２レーザによる約２８THz（波長１０.６μm）の電磁波を検出することができる。ショットキーバリアダイオードは、ショットキーバリアにおける接合容量Cjと直列抵抗RsによるRCローパスフィルタを伴う。接合容量Cjはショットキー電極の面積に比例するため、高周波の電磁波を検出できる様にカットオフ周波数fc（＝（２π×RsCj）-１）を高める最も単純な方法はショットキー電極の面積を小さくすることである。典型的なショットキーバリアダイオードのこれらの関係について単純計算を行えば、ショットキー電極の面積を１μm２（直径換算で約１μm）まで微細加工すると、およそ３００GHz前後がfcとなる。ショットキー電極の面積をその十分の一の０.１μm２（直径換算で約０.３μm）まで微細加工すると、およそ３THz前後がfcとなる。更に、その十分の一の０.０１μm２（直径換算で約０.１μm）まで微細加工すると、およそ３０THz前後がfcとなると見積もられる。この周波数の電磁波を検出対象とする場合、概算して、ショットキーバリアダイオードの素子抵抗は１０００Ω程度かそれ以上となってしまう。そのため、インピーダンスの小さな平面アンテナではインピーダンスミスマッチが生じてしまうので、本発明では、ダイポールアンテナなどを基板上の異なるレベル位置にある複数の面に跨って形成してそのインピーダンスを大きくしようする。
【００１２】
典型的には、後述する実施形態や実施例で説明する様に、アンテナの複数の導電要素を、誘電体層を介在させて電磁波の入射方向に沿って隔て該入射方向から見てほぼ重なる様に配置するが、その他の隔て方を用いることもできる。例えば、基板に凹部を形成することで凹部の底面と該凹部の周りの上面を形成し、底面に第１と第２の導電要素を凹部に配置し、これらの導電要素と並行して多少ずれて前記上面に第３と第４の導電要素を配置することもできる。この場合、凹部を誘電体層で埋め、第１と第３の導電要素を誘電体層中の接続部で電気的に接続し、第２と第４の導電要素を誘電体層中の別の接続部で電気的に接続する様なことができる。第３と第４の導電要素はほぼ完全に前記上面上に形成されてもよいし、多少凹部側にせり出して形成されてもよい。
【００１３】
また、後述する実施形態や実施例で説明する様に、アンテナの各導電要素をストライプ状要素で構成してもよいが、これに替えて、例えば、三角形状（例えば二等辺三角形状）の要素とし、三角形の頂点を間隙を隔ててつき合わせた形態とすることもできる。こうしたボウタイアンテナ形態の場合、対をなす三角形状の要素の各組を電磁波の入射方向に隔たった複数の面上に配置する。そして、三角形の垂線の長さをλ／４、その斜辺の長さをλ’／４（λ≠λ’）とし、三角形の底辺の側において接続部で上下の三角形状の要素を接続する。これによれば、垂線又は斜辺の方向の偏波成分を含むλ又はλ’の波長の電磁波の検出が可能となる。また、ストライプ状の導電要素に替えて、ストライプが折れ曲がった形状の導電要素からなるアンテナとすることもできる。この場合、折れ曲がった形状の一端部を間隙を隔ててつき合わせ、他端部において接続部で上下の折れ曲がり導電要素を接続すればよい。こうしたスパイラルアンテナの形態の場合、異なる方向の偏波成分を含む電磁波（円偏光など）や異なる波長の電磁波の検出が可能となる。
【００１４】
以下、図を用いて本発明の実施形態と実施例を説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る検出素子について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態の検出素子を表す断面図であり、図１（ｂ）はその斜視図である。
【００１５】
本実施形態は、アンテナを構成する４つの導電要素と２つの接続部であるビアを備える。分割された第一導電要素１０１及び第二導電要素１０２は、夫々、長さが電磁波の波長の４分の１（λ／４）のストライプ状の金属膜である。要素１０１、１０２はλ／２ダイポールアンテナをなし、長さ方向が電磁波の共振方向になる。λは、検出したい電磁波の波長であって、真空中のものではなく、基板１１に依存する波長圧縮率が掛けられた後の実効波長である。これらの金属膜１０１、１０２は、非導電性基板１１における低キャリア濃度半導体１１１と高キャリア濃度半導体１１２とに夫々接する。金属膜１０１、１０２は夫々ショットキー金属、オーミック金属である。ショットキーバリアダイオードは、ショットキー金属１０１、低キャリア濃度半導体１１１、高キャリア濃度半導体１１２、オーミック金属１０２から構成される。故に、要素１０１、１０２はλ／２ダイポールアンテナをなすとともに、ショットキーバリアダイオード素子の電極にもなる。
【００１６】
分割された第三導電要素１０３及び第四導電要素１０４は、要素１０１、１０２の直上の別の層に配置される。こうして、電磁波の入射方向に沿って異なる位置にある複数の面に跨ってアンテナを形成する様にしている。要素１０３は、誘電体１１３中に設けた第一接続部である第一ビア１０５を介して要素１０１と接続されている。同様に、要素１０４は、誘電体１１３中に設けた第二接続部である第二ビア１０６を介して要素１０２と接続されている。ビア１０５、１０６はダイポールアンテナ１０１、１０２の端に位置するため、上記４要素は、ダイポールアンテナが折り返された擬似的なフォールデッドダイポールアンテナ（Folded Dipole Antennas）を構成する。ここでは、ビア１０５、１０６の形状が円柱状であるが、電気的接続ができる限り、この形状や断面積は自由である。通常、フォールデッドダイポールアンテナは全要素が短絡していることで知られているが、本実施形態では、DCカット１０７を設け、要素１０３、１０４は物理的には接触していない。これは、ショットキーバリアダイオード１０１、１１１、１１２、１０２からの検出信号を取り出すためのものである。従って、電磁波を検出したかどうかの検出信号は、電圧や電流として電極１０１、１０２から取り出すことができる。
【００１７】
ショットキーバリアダイオードは、その電流電圧特性が順方向電圧においては電流が流れ、逆方向電圧においては電流が流れない素子である。そのターニングポイントにおいて、電流密度Jは、指数関数Exp（eV／kT）に比例する。Vは電圧、eは素電荷、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。比例係数J0は、熱電界放出に基づけばA＋T２×Exp（-φＢ／kT）である。A＋は有効リチャードソン定数であり、典型的な半導体を想定して、例えば１０A／cm2K程度の定数である。温度を固定すれば、J0はショットキー電極１０１と半導体１１１との界面ポテンシャルであるショットキーバリア高さφＢのみによって決定される。ショットキーバリア高さφＢは、典型的には数百meVとなる。例えば２００meVを想定すると、室温において比例係数J0は４００A／cm２程度となる。ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域に対応するためには、ショットキー金属１０１と半導体１１１とのコンタクト面積Sの微細化が必要で、１μm2以下の素子構造で換算すると、I0（＝S×Ｊ0）は４μA以下となる。電流I（＝S×J）の逆数をVで微分した素子の抵抗値はkT／（e×I0）×Exp（-eV／kT）に等しい。これは、室温において動作点電圧V＝０mVで６０００Ω以上となり、検出感度を持つ範囲において比較的高めの動作点電圧V＝１００ｍVでも１３０Ω以上となる。従って、概算ではあるが、ショットキーバリアダイオード１０１、１１１、１１２、１０２の素子抵抗は、上述した様に、１０００Ω程度かそれ以上となってしまう。
【００１８】
一方、フォールデッドダイポールアンテナのインピーダンスは、λ／２ダイポールアンテナのインピーダンスである７３Ωの４倍ということが理論的に知られている。つまり、約３００Ω程度ということになる。これは、スパイラルアンテナ、ボウタイアンテナ、ログペリアンテナなどの自己補対アンテナの理論インピーダンスである１８８Ω（典型的には５０Ω〜１００Ω）より大きな値である。従って、フォールデッドダイポールアンテナを用いた方が、上述のショットキーバリアダイオード素子とのインピーダンスマッチと言う観点では好ましい。マッチした場合、ショットキーバリアダイオード素子からの反射はゼロとなるから、反射係数Γ＝（Ra-Rd）／（Ra+Rd）を用いて、電力効率は1-Γ2で求められる。ここで、Raはアンテナの共振点におけるインピーダンス、Rdはショットキーバリアダイオードの素子抵抗である。ショットキーバリアダイオードの素子抵抗を１０００Ωと仮定すると、電力効率は、フォールデッドダイポールアンテナを使用した場合では７０％となる。上記他のアンテナに言及すれば、インピーダンス１８８Ωの自己補対アンテナでは５３％、インピーダンス７３Ωのλ／２ダイポールアンテナでは２５％である。実際には基板１１の誘電率のため、いずれのアンテナもインピーダンスは小さくなるが、それでもフォールデッドダイポールアンテナを用いた方が好ましい。
【００１９】
空気より高い基板１１の誘電率εr（＞1）のため、本実施形態のフォールデッドダイポールアンテナの指向性は基板１１側の方向に偏る。従って、図１に示す様に、検出したい電磁波は基板裏面から入射させる。その際、基板１１の裏面に誘電体レンズを設け、基板１１の裏面における全反射を防止するとともに指向性を高めてもよい。検出したい電磁波の波長選択は、要素１０１、１０２によるλ／２ダイポールアンテナによって行われる。前述した通り、λは基板１１に依存する波長圧縮率が掛けられた後の実効波長である。この様に、要素１０３、１０４、ビア１０５、１０６は、アンテナのインピーダンスを４倍にする効果を与え、インピーダンスミスマッチを低減させることができる。故に、検出素子を高感度化することができる。
【００２０】
その他の検出動作の詳細は、前述した先行技術文献と同様である。すなわち、ショットキーバリアダイオードのバリアのエネルギー障壁において、或る方向の電界が掛けられたときに始めて多数キャリアが通過することのできる構造となっている。つまり、或る方向の電界で、多数キャリアはエネルギー障壁より熱電界放出（thermoionic-field-emission）され、これとは逆の方向の電界で、多数キャリアはエネルギーをトンネリングできない。このメカニズムは、エネルギー障壁を構成する片側の半導体において多数キャリアが十分に少なくなるときに生じる。本実施形態の素子では、この或る方向の電界（入射する電磁波による電界）が掛けられたとき（順方向電圧と呼ぶ）にのみ、同じ多数キャリアがショットキー障壁を通過するバンドプロファイルとなっている。これとは逆の逆方向電界（これも、入射する電磁波による電界）においては電流が流れない。こうした本実施形態の素子で、ショットキー電極１０１とオーミック電極１０２の間に被検出電磁波の電界成分が誘起されたとき、上述のメカニズムに基づいて一方向に電流が流れる。この電流は被検出電磁波の周波数と等しい振動数の振動成分を含むが、その実効値はゼロでないため、検出電流となる。従って、本実施形態による素子の構成は、いわゆる整流素子に位置付けられ、整流を利用した方式の検出素子となっている。
【００２１】
本実施形態の金属膜要素は、厚さが数百nm、幅が数μmを想定している。ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域に対応する金属膜の表皮深さを考慮すれば、この金属膜要素は幅が広い。しかしながら、この影響は、インピーダンスの大きさを変えるものではなく、共振点を僅かにシフトさせるのみである。要素１０１と要素１０３を隔てる誘電体１１３の厚さ（同様に、要素１０２と要素１０４を隔てる誘電体１１３の厚さ）は、薄ければアンテナは誘導性に、厚ければ容量性になる。そのため、ビア１０５（同様にビア１０６）の高さとしては、金属膜の幅と同程度の数μmを確保しておけばよい。また、金属膜要素の幅は全て同じでなくてもよい。要素１０３、１０４の幅を要素１０１、１０２の幅より少し太く設計することで、アンテナのインピーダンスは大きくなる。これとは反対に、少し細く設計することで、アンテナのインピーダンスは小さくなる。いずれにせよ、この様な寸法は、半導体プロセス技術を用いて作製することができるため、本実施形態のフォールデッドダイポールアンテナは基板上の平面アンテナとして好ましい。
【００２２】
（実施形態２）
実施形態２に係る検出素子について、図２を用いて説明する。本実施形態は、図２（ｂ）に示す様に、要素２０１、２０２の長さと半導体２１１、２１２の位置が実施形態１と異なっている。それ以外は実施形態１と同様である。つまり、要素２０３、２０４、ビア２０５、２０６、DCカット２０７、誘電体２１３は実施形態１の同様である。要素２０１、２０２の長さの和はλ／２であって、要素２０１、２０２がλ／２ダイポールアンテナであることにも変わりはない。本実施形態は、ショットキーバリアダイオード２０１、２１１、２１２、２０２の位置をオフセットさせ、アンテナの入力インピーダンスを大きくするための実施形態１の変形例である。
【００２３】
要素２０１、２０２及び要素２０３、２０４上の検出電磁波の電流分布Ｉは、図２（ａ）に示す様に、電磁波の共振方向に沿ったダイポールアンテナ２０１、２０２の端にあたる位置で最小であって、これらを結ぶちょうど中央の位置で最大になる。ここで、アンテナの入力インピーダンスは電流Ｉに反比例するため、半導体２１１、２１２の位置を中央からオフセットするとアンテナの入力インピーダンスを大きくすることができる。しかし、半導体２１１、２１２の位置を中央からオフセットさせ過ぎると、インピーダンスの虚部がゼロとなる共振点が生成されなくなってしまう。そのため、簡易的なモーメント法による電磁界シミュレーションを用いて確認したところ、オフセットは中央からλ／８以内が望ましい。第一導電要素２０１と第二導電要素２０２の長さの観点から言えば、これらが、夫々、電磁波の共振方向に沿って電磁波の波長の８分の１以上８分の３以下の範囲の長さを有してダイポールアンテナを構成するのが望ましい。このとき、入力インピーダンスは約３００Ω（オフセットなし）から約４５０Ω（オフセットλ／８）程度まで変化する。実際には基板２１の誘電率のため、インピーダンスは小さくなるが、それでもオフセットを用いた方がアンテナの入力インピーダンスは大きくなり、好ましい。
【００２４】
（実施形態３）
実施形態３に係る検出素子について、図３を用いて説明する。本実施形態は、アンテナを構成する４つの要素と２つのビアと、更に付加的な第五導電要素である金属膜要素３０８とを備える。ここで、要素３０１、３０２、３０３、３０４、ビア３０５、３０６、DCカット３０７、半導体３１１、３１２、誘電体３１３は実施形態１の同様である。付加要素３０８は、アンテナが設けられた基板の面とは反対側の面である基板３１裏面上に位置し、長さをλ／２より少し長めに設定する。本実施形態は、実施形態１のアンテナの指向性を、基板３１の表面方向（図３の上方）に変化させる例を示す。
【００２５】
λ／２より少し長めの要素３０８は、八木アンテナなどで知られた反射器と呼ばれる技術であって、このとき、フォールデッドダイポールアンテナの指向性は、基板３１の表面方向（空気側）に偏る様になる。そのため、基板３１の厚さは、λ／４程度に調整されると好ましい。好都合には、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域のλ／４に対応する基板３１の厚さは、基板の研磨や、別の基板を重ねることにより容易に達成できる。更に、反射器の効果を拡張するために、これと同様の厚さがλ／４の別の基板にλ／２より少し長めの金属膜要素を付け加え、基板３１の裏面に重ねてもよい。反対に、付加要素３０８の長さをλ／２より少し短めに設定すれば、導波器となる。このとき、フォールデッドダイポールアンテナの指向性は基板３１側（図３の下方）の方向に更に偏る様になり、アンテナ利得やダイレクティビティが増大し、好ましい。この場合は、電磁波は基板３１の裏面側から入射する。
【００２６】
（実施形態４）
実施形態４に係る検出素子について、図４を用いて説明する。本実施形態は、アンテナを構成する４つの要素と２つのビアと、更に第一スタブであるスタブ４２１と第二スタブである４２２とキャパシタンス４２５と読み出し線４２６、４２７とを備える。ここで、要素４０１、４０２、４０３、４０４、ビア４０５、４０６、DCカット４０７、半導体４１１、４１２、誘電体４１３は実施形態１の同様である。要素４０１と要素４０２、及び要素４０３と要素４０４は、夫々、λ／２の長さとなっている。本実施形態は、検出電磁波に影響を与えない様に検出信号を読み出す例を示す。
【００２７】
金属膜要素４０１、４０２を延長した部分４２１、４２２は、延長の長さがλ／４となる位置４２３、４２４で容量結合しているため、λ／４の長さのショートスタブ４２１、４２２を構成する金属膜となる。ショートスタブ４２１、４２２における検出電磁波の電流分布は、位置４２３、４２４において大きく、スタブ４２１、４２２とダイポールアンテナ４０１、４０２の接続部にあたる位置では小さい。故に、スタブ４２１、４２２はアンテナの機能には影響しない。容量結合のためのキャパシタンス４２５は数百fFもあれば十分なため、例えば、同一基板４１にMIM（Metal／Insulator／Metal）構造を設けるなどして形成してもよい。この様に構成すると、検出電磁波に影響を与えない様に検出信号を読み出すことができるため、好ましい。読み出し線４２６、４２７は、例えば、キャパシタンス４２５の二端子の間に接続すればよい。例えば、基板４１の表面にMIM構造を設け、スタブ４２１、４２２の外端からの配線を基板４１の表面に配してMIM構造の端子に接続する。勿論、この様な検出信号の読み出しは一例である。
【００２８】
更に具体的な検出素子について、以下の実施例で説明する。
（実施例１）
実施例１に係る検出素子について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、本実施例の検出素子を表す断面図、図５（ｂ）は、全電磁界シミュレーションに用いた解析モデルの鳥瞰図、図５（ｃ）は、インピーダンスの周波数依存性を示すグラフである。全電磁界シミュレーションでは、３次元有限要素法ソルバとして知られる商用のアンソフト社HFSS ver１１．２を用いた。
【００２９】
本実施例はＦｚ−Ｓｉ基板５１上に構成される。図５（ａ）において、アンテナ要素５０１、５０２、５０３、５０４は、幅４μm、厚さ３５０nmのAl金属から構成される。本実施例では、３５０GHzの周波数のテラヘルツ波を受信する検出素子を例にとり、要素５０１、要素５０２の長さは夫々８０μmに設計した。なお、誘電率εｒの基板５１上の実効波長λは、真空中の波長λ0に実効誘電率εeffの波長圧縮率を掛けたλ0／√εeff（ただしεeff＝（εｒ＋１）／２）で概算することができる。要素５０３、５０４は、要素５０１、５０２の直上のレイヤに位置する。これらは厚さ方向（電磁波の入射方向）に５μmだけ間隔をおく。誘電体５１３には、低損失なベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いる。要素５０３はＢＣＢ５１３中に設けたビア５０５を介して要素５０１と接続されており、同様に要素５０４は誘電体５１３中に設けたビア５０６を介して要素５０２と接続されている。図５（ｂ）では、これらの位置関係を視覚的に理解することができる。
【００３０】
本実施例において、DCカットは、要素５０３、５０４を変形させて実現している。すなわち、要素５０３の一部分を保護膜５１５によって絶縁した要素５０４の直上に重ね合わせ、DCカットかつACショートを実現している。従って、保護膜５１５は薄い方がよく、本実施例では厚さ２００nmのSiO2を用いる。本実施例では、要素５０３の長さは１６０μm（λ／２）、要素５０４の長さは４０μmである。この様な本実施例のフォールデットダイポールアンテナの各アンテナ要素において、受信した電磁波の表面電流分布を表したものが、図５（ｂ）である。実施形態２で説明した通り、表面電流分布の大きい部分は中央付近にあり、ビア５０５、５０６の部分で小さくなっている。また、本実施例のフォールデットダイポールアンテナのインピーダンスを示したものが、図５（ｃ）である。全電磁界シミュレーションによれば、アンテナの共振点（虚数部Im（Z）がゼロとなる点であって、３５０GHz）付近において、アンテナのインピーダンスは約１２０Ωとなった。基板５１の影響（εeff＝（εｒ＋１）／２）を除去すれば、インピーダンスは約３００Ωと見積られるため、正しく設計されていることが分かる。この値は、同一基板上の他の平面アンテナを考えても、比較的大きいインピーダンスである。
【００３１】
ショットキーバリアダイオード５０１、５１１、５１２、５０２は、イオン注入などによって設けたn型領域５１１とn+型領域５１２を確保する。ショットキーバリアはAl金属５０１とn型領域５１１の間に生じる。Al金属５０２とn+型領域５１２との間では熱電界放出よりもトンネル放出が支配的なため、オーミック接触となる。３５０GHzの周波数を受信するため、本実施例では、Al金属５０１とn型領域５１１とのコンタクト面積を０．８μｍ2に設計する。このため、例えば、内径が１μｍのリング状の絶縁膜５１４を用いて、コンタクト面積を確保する。素子抵抗はおおよそ１０００Ω程度となる。この場合、受信アンテナからショットキーバリアダイオード素子への電力伝送効率は４０％程度となる。
【００３２】
こうした構造は、まず、Ｆｚ−Ｓｉ基板５１上にnウェル５１１とn+ウェル５１２を、イオン注入を用いて形成する。更に、絶縁膜５１４によるコンタクトホールを形成後、Al金属５０１、５０２を成膜する。その後、ＢＣＢ５１３を塗布し、ドライエッチングなどによってビア５０５、５０６の下地となる穴を形成した後、タングステンなどの金属ＣＶＤとメタルスパッタリングなどを用いてこの穴を埋める。続いて、Al金属５０４を成膜し、ＳｉＯ２５１５によるパッシベーションを行う。最後にAl金属５０３の成膜を行い、本実施例の構造は完成する。この様に、半導体プロセス技術によって作製できるフォールデッドダイポールアンテナは、ショットキーバリアダイオード素子とのインピーダンスミスマッチを低減できる平面アンテナとして優れている。
【００３３】
図７に、本実施例の変形例となるアンテナのインピーダンスを示す。本実施例の要素５０３、５０４の幅Wを変更した場合、W＝４μmではインピーダンスが１２０Ωであるのに対してW＝６μmでは１４０Ωと計算され、インピーダンスミスマッチを更に低減することができる。
【００３４】
（実施例２）
実施例２に係る検出素子について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、本実施例に係る検出素子を表す断面図、図６（ｂ）は、全電磁界シミュレーションに用いた解析モデルの鳥瞰図、図６（ｃ）は、インピーダンスの周波数依存性を示すグラフである。
【００３５】
本実施例もＦｚ−Ｓｉ基板６１上に構成される。図６（ａ）において、アンテナ要素６０１、６０２、６０３、６０４は、実施例１と同様のAl金属から構成される。本実施例では、３５０GHzと７００GHzの周波数を受信する電磁波検出素子を例にとり、要素６０１、６０２、６０３、６０４の長さLは８０μmと４０μmに設計した。DCカットされた要素６０３、６０４は、要素６０１、６０２の直上のレイヤに位置する。これらは厚さ方向に５μmだけ間隔をおき、実施例１と同様に、誘電体６１３には低損失なベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いる。要素６０３（６０４）はビア６０５（６０６）を介して要素６０１（６０２）と接続されており、図６（ｂ）では、これらの位置関係が視覚的に理解できる。本実施例において、DCカットかつACショートは、別の金属膜要素６０７を、保護膜６１５によって絶縁した要素６０３、６０４の直上に重ね合わせて実現する。本実施例では、要素６０７の長さは、共振の長さである２×Lである。
【００３６】
この様な本実施例のフォールデットダイポールアンテナの各アンテナ要素において、受信した電磁波の表面電流分布を表したものが、図６（ｂ）である。実施例１と同様に、表面電流分布の大きい部分は中央付近にあり、ビア６０５、６０６の部分で小さくなっている。また、本実施例のフォールデットダイポールアンテナのインピーダンスを示したものが、図６（ｃ）である。全電磁界シミュレーションによれば、L＝８０μm、４０μmのアンテナの共振点（夫々３５０GHz、７００GHz）付近において、アンテナのインピーダンスは夫々１２０Ω、１００Ωとなった。共振周波数は、アンテナの長さに反比例するが、インピーダンスの周波数依存性の傾向はアンテナの長さに基本的にはよらないことが分かる。そのため、より高い周波数を受信するためには、Lを更に短くすればよい。ショットキーバリアダイオード６０１、６１１、６１２、６０２は、実施例１と同様である。勿論、より高い周波数を受信するためにはコンタクト面積を実施例１より小さくすればよく、カットオフ周波数fcがアンテナの共振周波数より高くなる様に設計すればよい。コンタクト面積は、リング状の絶縁膜６１４の内径を小さくすることなどで、小さくすることができる
【００３７】
上記実施形態や実施例において、半導体基板の材料はＦｚ（Floating Zone）法によるＳｉには限らない。比較的比抵抗の高い１０Ωcm以上のＣｚ（Czochralski）法によるＳｉでもよい。比較的安価なＣｚ−Ｓｉは、自由電子吸収の小さな１THz以上で有効である。また、Ｓｉに限ることはなく、同じ寸法なら、より高いカットオフ周波数となる半絶縁性ＧａＡｓや半絶縁性ＩｎＰを用いてもよい。また、金属膜材料もAl金属には限らない。Ti、Pd、Pt、Ni、Cr、Au金属などを用いてもよいし、金属膜（６０１など）と半導体（６１１など）の間に、バリア調節のための別の材料（金属、半金属など）を挟んでもよい。また、上記実施形態や実施例において、ダイポールアンテナの長さはλ／２に限らない。例えば、ビアを高くすることによってループアンテナに変形することもできる。この際、アンテナを形成する４要素の長さと２つのビアの高さの和がλと等しくなる様に設計すればよい。
【００３８】
更に、本発明による検出素子をアレイ状に配置し、複数の検出素子が夫々検出する被検出電磁波の電界に基づいて電界分布の画像を形成する画像形成部を備えた画像形成装置とすることも可能である。この際、アンテナ長が異なる本発明による検出素子を配置することによって、異なる周波数に対応する画像形成装置とすること可能である。アンテナの方向が異なる本発明による検出素子を配置することによって、異なる偏波に対応する画像形成装置とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１１・・・基板、１０１・・・第一導電要素、１０２・・・第二導電要素、１０３・・・第三導電要素、１０４・・・第四導電要素、１０５・・・第一接続部（第一ビア）、１０６・・・第二接続部（第二ビア）、１１１・・・低キャリア濃度半導体（ショットキーバリアダイオード）、１１２・・・高キャリア濃度半導体（ショットキーバリアダイオード）、１１３・・・誘電体層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整流素子を用いた電磁波検出素子に関し、特には、ミリ波帯からテラヘルツ帯まで（３０GHz以上３０THz以下、以下同様な意味で用いる）の周波数領域内の周波数帯における電磁波検出素子及びそれを用いた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波帯からテラヘルツ帯までの電磁波検出素子として、熱型検出素子や量子型検出素子がこれまで知られている。熱型検出素子としては、マイクロボロメータ（a-Si、VOxなど）、焦電素子（LiTaO３、TGSなど）、ゴーレイセルなどがある。こうした熱型検出素子は、電磁波のエネルギーによる物性変化を熱に変換し、温度変化を熱起電力、抵抗などに変換の上、検出する素子である。冷却を必ずしも必要としない一方、熱交換を利用するため応答が比較的遅い。量子型検出素子としては、真性半導体素子（MCT（HgCdTe）光伝導素子など）や不純物半導体素子などがある。こうした量子型検出素子は、電磁波をフォトンとして捕らえ、バンドギャップの小さい半導体の光起電力或いは抵抗変化を検出する素子である。応答が比較的速い一方、この様な周波数領域における室温の熱エネルギーは無視できないため冷却を必要とする。
【０００３】
そこで、最近では、応答が比較的速く冷却の不要な検出素子として、整流素子を利用したミリ波帯からテラヘルツ帯までの電磁波検出素子の開発が行われている。この検出素子は、電磁波を高周波電気信号として捕らえ、アンテナなどによって受信した高周波電気信号を整流素子によって整流して検出する。特許文献１はこうした検出素子を開示している。受信アンテナとしては、非特許文献１に開示される様に、スパイラルアンテナなどの平面アンテナが知られており、２．５THzや２８．３THzの電磁波を受信している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平０９-１６２４２４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｈ．Ｋａｚｅｍｉ ｅｔ ａｌ， Ｐｒｏｃ． ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．６５４２，６５４２１Ｊ（２００７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来のショットキーバリアダイオードを利用した検出素子において、ショットキーバリアダイオードの素子抵抗は、平面アンテナのインピーダンスより大きくなってしまう。これは、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域に対応するためには素子構造の微細化が必要であり、素子を流れることのできる電流が制限されてしまうことに由る。そのため、インピーダンスの小さな従来の平面アンテナとのインピーダンスミスマッチが課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑みて、本発明の電磁波を検出する検出素子は、基板に設けられたショットキーバリアダイオードとアンテナとを含み、次の特徴を有する。アンテナは、分割された第一導電要素と第二導電要素、分割された第三導電要素と第四導電要素、第一導電要素と第三導電要素を電気的に接続する第一接続部、及び第二導電要素と第四導電要素を電気的に接続する第二接続部を含む。また、第一導電要素と第二導電要素、及び第三導電要素と第四導電要素は、夫々、電磁波の入射方向に沿って隔たる基板上の複数の面に形成され、ショットキーバリアダイオードは、第一導電要素と第二導電要素との間に電気的に接続されて設けられる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の電磁波検出素子によれば、電磁波の入射方向に沿って異なるレベル位置にある複数の面に跨ってアンテナを形成している。従って、従来の検出素子における平面アンテナよりインピーダンスの大きいアンテナとでき、ショットキーバリアダイオード素子とのインピーダンスミスマッチを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態１に係る検出素子の構成を示す図。
【図２】実施形態２に係る検出素子を説明する図。
【図３】実施形態３に係る検出素子の構成を示す断面図。
【図４】実施形態４に係る検出素子の構成を示す断面図。
【図５】本発明の実施例１に係る検出素子の構成とシミュレーション結果を示す図。
【図６】実施例２に係る検出素子の構成とシミュレーション結果を示す図。
【図７】実施例１の変形例に係る検出素子のシミュレーション結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の電磁波検出素子では、電磁波の入射方向に沿って隔たった異なるレベル位置にある複数の面に跨ってアンテナを形成することが特徴である。こうした考え方に基づき、本発明の電磁波検出素子の基本的な構成は、上記の如き構成を有する。
【００１１】
本発明の電磁波検出素子の考え方について更に説明する。アンテナなどによって受信した電磁波による高周波電気信号を整流素子によって整流して検出する従来の検出素子において、整流素子はショットキーバリアダイオードである。こうした構成では、例えば、ショットキー電極の面積を０.０００７μm２（直径０.０３μm）に微細加工して、CO２レーザによる約２８THz（波長１０.６μm）の電磁波を検出することができる。ショットキーバリアダイオードは、ショットキーバリアにおける接合容量Cjと直列抵抗RsによるRCローパスフィルタを伴う。接合容量Cjはショットキー電極の面積に比例するため、高周波の電磁波を検出できる様にカットオフ周波数fc（＝（２π×RsCj）-１）を高める最も単純な方法はショットキー電極の面積を小さくすることである。典型的なショットキーバリアダイオードのこれらの関係について単純計算を行えば、ショットキー電極の面積を１μm２（直径換算で約１μm）まで微細加工すると、およそ３００GHz前後がfcとなる。ショットキー電極の面積をその十分の一の０.１μm２（直径換算で約０.３μm）まで微細加工すると、およそ３THz前後がfcとなる。更に、その十分の一の０.０１μm２（直径換算で約０.１μm）まで微細加工すると、およそ３０THz前後がfcとなると見積もられる。この周波数の電磁波を検出対象とする場合、概算して、ショットキーバリアダイオードの素子抵抗は１０００Ω程度かそれ以上となってしまう。そのため、インピーダンスの小さな平面アンテナではインピーダンスミスマッチが生じてしまうので、本発明では、ダイポールアンテナなどを基板上の異なるレベル位置にある複数の面に跨って形成してそのインピーダンスを大きくしようする。
【００１２】
典型的には、後述する実施形態や実施例で説明する様に、アンテナの複数の導電要素を、誘電体層を介在させて電磁波の入射方向に沿って隔て該入射方向から見てほぼ重なる様に配置するが、その他の隔て方を用いることもできる。例えば、基板に凹部を形成することで凹部の底面と該凹部の周りの上面を形成し、底面に第１と第２の導電要素を凹部に配置し、これらの導電要素と並行して多少ずれて前記上面に第３と第４の導電要素を配置することもできる。この場合、凹部を誘電体層で埋め、第１と第３の導電要素を誘電体層中の接続部で電気的に接続し、第２と第４の導電要素を誘電体層中の別の接続部で電気的に接続する様なことができる。第３と第４の導電要素はほぼ完全に前記上面上に形成されてもよいし、多少凹部側にせり出して形成されてもよい。
【００１３】
また、後述する実施形態や実施例で説明する様に、アンテナの各導電要素をストライプ状要素で構成してもよいが、これに替えて、例えば、三角形状（例えば二等辺三角形状）の要素とし、三角形の頂点を間隙を隔ててつき合わせた形態とすることもできる。こうしたボウタイアンテナ形態の場合、対をなす三角形状の要素の各組を電磁波の入射方向に隔たった複数の面上に配置する。そして、三角形の垂線の長さをλ／４、その斜辺の長さをλ’／４（λ≠λ’）とし、三角形の底辺の側において接続部で上下の三角形状の要素を接続する。これによれば、垂線又は斜辺の方向の偏波成分を含むλ又はλ’の波長の電磁波の検出が可能となる。また、ストライプ状の導電要素に替えて、ストライプが折れ曲がった形状の導電要素からなるアンテナとすることもできる。この場合、折れ曲がった形状の一端部を間隙を隔ててつき合わせ、他端部において接続部で上下の折れ曲がり導電要素を接続すればよい。こうしたスパイラルアンテナの形態の場合、異なる方向の偏波成分を含む電磁波（円偏光など）や異なる波長の電磁波の検出が可能となる。
【００１４】
以下、図を用いて本発明の実施形態と実施例を説明する。
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る検出素子について、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態の検出素子を表す断面図であり、図１（ｂ）はその斜視図である。
【００１５】
本実施形態は、アンテナを構成する４つの導電要素と２つの接続部であるビアを備える。分割された第一導電要素１０１及び第二導電要素１０２は、夫々、長さが電磁波の波長の４分の１（λ／４）のストライプ状の金属膜である。要素１０１、１０２はλ／２ダイポールアンテナをなし、長さ方向が電磁波の共振方向になる。λは、検出したい電磁波の波長であって、真空中のものではなく、基板１１に依存する波長圧縮率が掛けられた後の実効波長である。これらの金属膜１０１、１０２は、非導電性基板１１における低キャリア濃度半導体１１１と高キャリア濃度半導体１１２とに夫々接する。金属膜１０１、１０２は夫々ショットキー金属、オーミック金属である。ショットキーバリアダイオードは、ショットキー金属１０１、低キャリア濃度半導体１１１、高キャリア濃度半導体１１２、オーミック金属１０２から構成される。故に、要素１０１、１０２はλ／２ダイポールアンテナをなすとともに、ショットキーバリアダイオード素子の電極にもなる。
【００１６】
分割された第三導電要素１０３及び第四導電要素１０４は、要素１０１、１０２の直上の別の層に配置される。こうして、電磁波の入射方向に沿って異なる位置にある複数の面に跨ってアンテナを形成する様にしている。要素１０３は、誘電体１１３中に設けた第一接続部である第一ビア１０５を介して要素１０１と接続されている。同様に、要素１０４は、誘電体１１３中に設けた第二接続部である第二ビア１０６を介して要素１０２と接続されている。ビア１０５、１０６はダイポールアンテナ１０１、１０２の端に位置するため、上記４要素は、ダイポールアンテナが折り返された擬似的なフォールデッドダイポールアンテナ（Folded Dipole Antennas）を構成する。ここでは、ビア１０５、１０６の形状が円柱状であるが、電気的接続ができる限り、この形状や断面積は自由である。通常、フォールデッドダイポールアンテナは全要素が短絡していることで知られているが、本実施形態では、DCカット１０７を設け、要素１０３、１０４は物理的には接触していない。これは、ショットキーバリアダイオード１０１、１１１、１１２、１０２からの検出信号を取り出すためのものである。従って、電磁波を検出したかどうかの検出信号は、電圧や電流として電極１０１、１０２から取り出すことができる。
【００１７】
ショットキーバリアダイオードは、その電流電圧特性が順方向電圧においては電流が流れ、逆方向電圧においては電流が流れない素子である。そのターニングポイントにおいて、電流密度Jは、指数関数Exp（eV／kT）に比例する。Vは電圧、eは素電荷、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。比例係数J0は、熱電界放出に基づけばA＋T２×Exp（-φＢ／kT）である。A＋は有効リチャードソン定数であり、典型的な半導体を想定して、例えば１０A／cm2K程度の定数である。温度を固定すれば、J0はショットキー電極１０１と半導体１１１との界面ポテンシャルであるショットキーバリア高さφＢのみによって決定される。ショットキーバリア高さφＢは、典型的には数百meVとなる。例えば２００meVを想定すると、室温において比例係数J0は４００A／cm２程度となる。ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域に対応するためには、ショットキー金属１０１と半導体１１１とのコンタクト面積Sの微細化が必要で、１μm2以下の素子構造で換算すると、I0（＝S×Ｊ0）は４μA以下となる。電流I（＝S×J）の逆数をVで微分した素子の抵抗値はkT／（e×I0）×Exp（-eV／kT）に等しい。これは、室温において動作点電圧V＝０mVで６０００Ω以上となり、検出感度を持つ範囲において比較的高めの動作点電圧V＝１００ｍVでも１３０Ω以上となる。従って、概算ではあるが、ショットキーバリアダイオード１０１、１１１、１１２、１０２の素子抵抗は、上述した様に、１０００Ω程度かそれ以上となってしまう。
【００１８】
一方、フォールデッドダイポールアンテナのインピーダンスは、λ／２ダイポールアンテナのインピーダンスである７３Ωの４倍ということが理論的に知られている。つまり、約３００Ω程度ということになる。これは、スパイラルアンテナ、ボウタイアンテナ、ログペリアンテナなどの自己補対アンテナの理論インピーダンスである１８８Ω（典型的には５０Ω〜１００Ω）より大きな値である。従って、フォールデッドダイポールアンテナを用いた方が、上述のショットキーバリアダイオード素子とのインピーダンスマッチと言う観点では好ましい。マッチした場合、ショットキーバリアダイオード素子からの反射はゼロとなるから、反射係数Γ＝（Ra-Rd）／（Ra+Rd）を用いて、電力効率は1-Γ2で求められる。ここで、Raはアンテナの共振点におけるインピーダンス、Rdはショットキーバリアダイオードの素子抵抗である。ショットキーバリアダイオードの素子抵抗を１０００Ωと仮定すると、電力効率は、フォールデッドダイポールアンテナを使用した場合では７０％となる。上記他のアンテナに言及すれば、インピーダンス１８８Ωの自己補対アンテナでは５３％、インピーダンス７３Ωのλ／２ダイポールアンテナでは２５％である。実際には基板１１の誘電率のため、いずれのアンテナもインピーダンスは小さくなるが、それでもフォールデッドダイポールアンテナを用いた方が好ましい。
【００１９】
空気より高い基板１１の誘電率εr（＞1）のため、本実施形態のフォールデッドダイポールアンテナの指向性は基板１１側の方向に偏る。従って、図１に示す様に、検出したい電磁波は基板裏面から入射させる。その際、基板１１の裏面に誘電体レンズを設け、基板１１の裏面における全反射を防止するとともに指向性を高めてもよい。検出したい電磁波の波長選択は、要素１０１、１０２によるλ／２ダイポールアンテナによって行われる。前述した通り、λは基板１１に依存する波長圧縮率が掛けられた後の実効波長である。この様に、要素１０３、１０４、ビア１０５、１０６は、アンテナのインピーダンスを４倍にする効果を与え、インピーダンスミスマッチを低減させることができる。故に、検出素子を高感度化することができる。
【００２０】
その他の検出動作の詳細は、前述した先行技術文献と同様である。すなわち、ショットキーバリアダイオードのバリアのエネルギー障壁において、或る方向の電界が掛けられたときに始めて多数キャリアが通過することのできる構造となっている。つまり、或る方向の電界で、多数キャリアはエネルギー障壁より熱電界放出（thermoionic-field-emission）され、これとは逆の方向の電界で、多数キャリアはエネルギーをトンネリングできない。このメカニズムは、エネルギー障壁を構成する片側の半導体において多数キャリアが十分に少なくなるときに生じる。本実施形態の素子では、この或る方向の電界（入射する電磁波による電界）が掛けられたとき（順方向電圧と呼ぶ）にのみ、同じ多数キャリアがショットキー障壁を通過するバンドプロファイルとなっている。これとは逆の逆方向電界（これも、入射する電磁波による電界）においては電流が流れない。こうした本実施形態の素子で、ショットキー電極１０１とオーミック電極１０２の間に被検出電磁波の電界成分が誘起されたとき、上述のメカニズムに基づいて一方向に電流が流れる。この電流は被検出電磁波の周波数と等しい振動数の振動成分を含むが、その実効値はゼロでないため、検出電流となる。従って、本実施形態による素子の構成は、いわゆる整流素子に位置付けられ、整流を利用した方式の検出素子となっている。
【００２１】
本実施形態の金属膜要素は、厚さが数百nm、幅が数μmを想定している。ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域に対応する金属膜の表皮深さを考慮すれば、この金属膜要素は幅が広い。しかしながら、この影響は、インピーダンスの大きさを変えるものではなく、共振点を僅かにシフトさせるのみである。要素１０１と要素１０３を隔てる誘電体１１３の厚さ（同様に、要素１０２と要素１０４を隔てる誘電体１１３の厚さ）は、薄ければアンテナは誘導性に、厚ければ容量性になる。そのため、ビア１０５（同様にビア１０６）の高さとしては、金属膜の幅と同程度の数μmを確保しておけばよい。また、金属膜要素の幅は全て同じでなくてもよい。要素１０３、１０４の幅を要素１０１、１０２の幅より少し太く設計することで、アンテナのインピーダンスは大きくなる。これとは反対に、少し細く設計することで、アンテナのインピーダンスは小さくなる。いずれにせよ、この様な寸法は、半導体プロセス技術を用いて作製することができるため、本実施形態のフォールデッドダイポールアンテナは基板上の平面アンテナとして好ましい。
【００２２】
（実施形態２）
実施形態２に係る検出素子について、図２を用いて説明する。本実施形態は、図２（ｂ）に示す様に、要素２０１、２０２の長さと半導体２１１、２１２の位置が実施形態１と異なっている。それ以外は実施形態１と同様である。つまり、要素２０３、２０４、ビア２０５、２０６、DCカット２０７、誘電体２１３は実施形態１の同様である。要素２０１、２０２の長さの和はλ／２であって、要素２０１、２０２がλ／２ダイポールアンテナであることにも変わりはない。本実施形態は、ショットキーバリアダイオード２０１、２１１、２１２、２０２の位置をオフセットさせ、アンテナの入力インピーダンスを大きくするための実施形態１の変形例である。
【００２３】
要素２０１、２０２及び要素２０３、２０４上の検出電磁波の電流分布Ｉは、図２（ａ）に示す様に、電磁波の共振方向に沿ったダイポールアンテナ２０１、２０２の端にあたる位置で最小であって、これらを結ぶちょうど中央の位置で最大になる。ここで、アンテナの入力インピーダンスは電流Ｉに反比例するため、半導体２１１、２１２の位置を中央からオフセットするとアンテナの入力インピーダンスを大きくすることができる。しかし、半導体２１１、２１２の位置を中央からオフセットさせ過ぎると、インピーダンスの虚部がゼロとなる共振点が生成されなくなってしまう。そのため、簡易的なモーメント法による電磁界シミュレーションを用いて確認したところ、オフセットは中央からλ／８以内が望ましい。第一導電要素２０１と第二導電要素２０２の長さの観点から言えば、これらが、夫々、電磁波の共振方向に沿って電磁波の波長の８分の１以上８分の３以下の範囲の長さを有してダイポールアンテナを構成するのが望ましい。このとき、入力インピーダンスは約３００Ω（オフセットなし）から約４５０Ω（オフセットλ／８）程度まで変化する。実際には基板２１の誘電率のため、インピーダンスは小さくなるが、それでもオフセットを用いた方がアンテナの入力インピーダンスは大きくなり、好ましい。
【００２４】
（実施形態３）
実施形態３に係る検出素子について、図３を用いて説明する。本実施形態は、アンテナを構成する４つの要素と２つのビアと、更に付加的な第五導電要素である金属膜要素３０８とを備える。ここで、要素３０１、３０２、３０３、３０４、ビア３０５、３０６、DCカット３０７、半導体３１１、３１２、誘電体３１３は実施形態１の同様である。付加要素３０８は、アンテナが設けられた基板の面とは反対側の面である基板３１裏面上に位置し、長さをλ／２より少し長めに設定する。本実施形態は、実施形態１のアンテナの指向性を、基板３１の表面方向（図３の上方）に変化させる例を示す。
【００２５】
λ／２より少し長めの要素３０８は、八木アンテナなどで知られた反射器と呼ばれる技術であって、このとき、フォールデッドダイポールアンテナの指向性は、基板３１の表面方向（空気側）に偏る様になる。そのため、基板３１の厚さは、λ／４程度に調整されると好ましい。好都合には、ミリ波帯からテラヘルツ帯までの周波数領域のλ／４に対応する基板３１の厚さは、基板の研磨や、別の基板を重ねることにより容易に達成できる。更に、反射器の効果を拡張するために、これと同様の厚さがλ／４の別の基板にλ／２より少し長めの金属膜要素を付け加え、基板３１の裏面に重ねてもよい。反対に、付加要素３０８の長さをλ／２より少し短めに設定すれば、導波器となる。このとき、フォールデッドダイポールアンテナの指向性は基板３１側（図３の下方）の方向に更に偏る様になり、アンテナ利得やダイレクティビティが増大し、好ましい。この場合は、電磁波は基板３１の裏面側から入射する。
【００２６】
（実施形態４）
実施形態４に係る検出素子について、図４を用いて説明する。本実施形態は、アンテナを構成する４つの要素と２つのビアと、更に第一スタブであるスタブ４２１と第二スタブである４２２とキャパシタンス４２５と読み出し線４２６、４２７とを備える。ここで、要素４０１、４０２、４０３、４０４、ビア４０５、４０６、DCカット４０７、半導体４１１、４１２、誘電体４１３は実施形態１の同様である。要素４０１と要素４０２、及び要素４０３と要素４０４は、夫々、λ／２の長さとなっている。本実施形態は、検出電磁波に影響を与えない様に検出信号を読み出す例を示す。
【００２７】
金属膜要素４０１、４０２を延長した部分４２１、４２２は、延長の長さがλ／４となる位置４２３、４２４で容量結合しているため、λ／４の長さのショートスタブ４２１、４２２を構成する金属膜となる。ショートスタブ４２１、４２２における検出電磁波の電流分布は、位置４２３、４２４において大きく、スタブ４２１、４２２とダイポールアンテナ４０１、４０２の接続部にあたる位置では小さい。故に、スタブ４２１、４２２はアンテナの機能には影響しない。容量結合のためのキャパシタンス４２５は数百fFもあれば十分なため、例えば、同一基板４１にMIM（Metal／Insulator／Metal）構造を設けるなどして形成してもよい。この様に構成すると、検出電磁波に影響を与えない様に検出信号を読み出すことができるため、好ましい。読み出し線４２６、４２７は、例えば、キャパシタンス４２５の二端子の間に接続すればよい。例えば、基板４１の表面にMIM構造を設け、スタブ４２１、４２２の外端からの配線を基板４１の表面に配してMIM構造の端子に接続する。勿論、この様な検出信号の読み出しは一例である。
【００２８】
更に具体的な検出素子について、以下の実施例で説明する。
（実施例１）
実施例１に係る検出素子について、図５を用いて説明する。図５（ａ）は、本実施例の検出素子を表す断面図、図５（ｂ）は、全電磁界シミュレーションに用いた解析モデルの鳥瞰図、図５（ｃ）は、インピーダンスの周波数依存性を示すグラフである。全電磁界シミュレーションでは、３次元有限要素法ソルバとして知られる商用のアンソフト社HFSS ver１１．２を用いた。
【００２９】
本実施例はＦｚ−Ｓｉ基板５１上に構成される。図５（ａ）において、アンテナ要素５０１、５０２、５０３、５０４は、幅４μm、厚さ３５０nmのAl金属から構成される。本実施例では、３５０GHzの周波数のテラヘルツ波を受信する検出素子を例にとり、要素５０１、要素５０２の長さは夫々８０μmに設計した。なお、誘電率εｒの基板５１上の実効波長λは、真空中の波長λ0に実効誘電率εeffの波長圧縮率を掛けたλ0／√εeff（ただしεeff＝（εｒ＋１）／２）で概算することができる。要素５０３、５０４は、要素５０１、５０２の直上のレイヤに位置する。これらは厚さ方向（電磁波の入射方向）に５μmだけ間隔をおく。誘電体５１３には、低損失なベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いる。要素５０３はＢＣＢ５１３中に設けたビア５０５を介して要素５０１と接続されており、同様に要素５０４は誘電体５１３中に設けたビア５０６を介して要素５０２と接続されている。図５（ｂ）では、これらの位置関係を視覚的に理解することができる。
【００３０】
本実施例において、DCカットは、要素５０３、５０４を変形させて実現している。すなわち、要素５０３の一部分を保護膜５１５によって絶縁した要素５０４の直上に重ね合わせ、DCカットかつACショートを実現している。従って、保護膜５１５は薄い方がよく、本実施例では厚さ２００nmのSiO2を用いる。本実施例では、要素５０３の長さは１６０μm（λ／２）、要素５０４の長さは４０μmである。この様な本実施例のフォールデットダイポールアンテナの各アンテナ要素において、受信した電磁波の表面電流分布を表したものが、図５（ｂ）である。実施形態２で説明した通り、表面電流分布の大きい部分は中央付近にあり、ビア５０５、５０６の部分で小さくなっている。また、本実施例のフォールデットダイポールアンテナのインピーダンスを示したものが、図５（ｃ）である。全電磁界シミュレーションによれば、アンテナの共振点（虚数部Im（Z）がゼロとなる点であって、３５０GHz）付近において、アンテナのインピーダンスは約１２０Ωとなった。基板５１の影響（εeff＝（εｒ＋１）／２）を除去すれば、インピーダンスは約３００Ωと見積られるため、正しく設計されていることが分かる。この値は、同一基板上の他の平面アンテナを考えても、比較的大きいインピーダンスである。
【００３１】
ショットキーバリアダイオード５０１、５１１、５１２、５０２は、イオン注入などによって設けたn型領域５１１とn+型領域５１２を確保する。ショットキーバリアはAl金属５０１とn型領域５１１の間に生じる。Al金属５０２とn+型領域５１２との間では熱電界放出よりもトンネル放出が支配的なため、オーミック接触となる。３５０GHzの周波数を受信するため、本実施例では、Al金属５０１とn型領域５１１とのコンタクト面積を０．８μｍ2に設計する。このため、例えば、内径が１μｍのリング状の絶縁膜５１４を用いて、コンタクト面積を確保する。素子抵抗はおおよそ１０００Ω程度となる。この場合、受信アンテナからショットキーバリアダイオード素子への電力伝送効率は４０％程度となる。
【００３２】
こうした構造は、まず、Ｆｚ−Ｓｉ基板５１上にnウェル５１１とn+ウェル５１２を、イオン注入を用いて形成する。更に、絶縁膜５１４によるコンタクトホールを形成後、Al金属５０１、５０２を成膜する。その後、ＢＣＢ５１３を塗布し、ドライエッチングなどによってビア５０５、５０６の下地となる穴を形成した後、タングステンなどの金属ＣＶＤとメタルスパッタリングなどを用いてこの穴を埋める。続いて、Al金属５０４を成膜し、ＳｉＯ２５１５によるパッシベーションを行う。最後にAl金属５０３の成膜を行い、本実施例の構造は完成する。この様に、半導体プロセス技術によって作製できるフォールデッドダイポールアンテナは、ショットキーバリアダイオード素子とのインピーダンスミスマッチを低減できる平面アンテナとして優れている。
【００３３】
図７に、本実施例の変形例となるアンテナのインピーダンスを示す。本実施例の要素５０３、５０４の幅Wを変更した場合、W＝４μmではインピーダンスが１２０Ωであるのに対してW＝６μmでは１４０Ωと計算され、インピーダンスミスマッチを更に低減することができる。
【００３４】
（実施例２）
実施例２に係る検出素子について、図６を用いて説明する。図６（ａ）は、本実施例に係る検出素子を表す断面図、図６（ｂ）は、全電磁界シミュレーションに用いた解析モデルの鳥瞰図、図６（ｃ）は、インピーダンスの周波数依存性を示すグラフである。
【００３５】
本実施例もＦｚ−Ｓｉ基板６１上に構成される。図６（ａ）において、アンテナ要素６０１、６０２、６０３、６０４は、実施例１と同様のAl金属から構成される。本実施例では、３５０GHzと７００GHzの周波数を受信する電磁波検出素子を例にとり、要素６０１、６０２、６０３、６０４の長さLは８０μmと４０μmに設計した。DCカットされた要素６０３、６０４は、要素６０１、６０２の直上のレイヤに位置する。これらは厚さ方向に５μmだけ間隔をおき、実施例１と同様に、誘電体６１３には低損失なベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いる。要素６０３（６０４）はビア６０５（６０６）を介して要素６０１（６０２）と接続されており、図６（ｂ）では、これらの位置関係が視覚的に理解できる。本実施例において、DCカットかつACショートは、別の金属膜要素６０７を、保護膜６１５によって絶縁した要素６０３、６０４の直上に重ね合わせて実現する。本実施例では、要素６０７の長さは、共振の長さである２×Lである。
【００３６】
この様な本実施例のフォールデットダイポールアンテナの各アンテナ要素において、受信した電磁波の表面電流分布を表したものが、図６（ｂ）である。実施例１と同様に、表面電流分布の大きい部分は中央付近にあり、ビア６０５、６０６の部分で小さくなっている。また、本実施例のフォールデットダイポールアンテナのインピーダンスを示したものが、図６（ｃ）である。全電磁界シミュレーションによれば、L＝８０μm、４０μmのアンテナの共振点（夫々３５０GHz、７００GHz）付近において、アンテナのインピーダンスは夫々１２０Ω、１００Ωとなった。共振周波数は、アンテナの長さに反比例するが、インピーダンスの周波数依存性の傾向はアンテナの長さに基本的にはよらないことが分かる。そのため、より高い周波数を受信するためには、Lを更に短くすればよい。ショットキーバリアダイオード６０１、６１１、６１２、６０２は、実施例１と同様である。勿論、より高い周波数を受信するためにはコンタクト面積を実施例１より小さくすればよく、カットオフ周波数fcがアンテナの共振周波数より高くなる様に設計すればよい。コンタクト面積は、リング状の絶縁膜６１４の内径を小さくすることなどで、小さくすることができる
【００３７】
上記実施形態や実施例において、半導体基板の材料はＦｚ（Floating Zone）法によるＳｉには限らない。比較的比抵抗の高い１０Ωcm以上のＣｚ（Czochralski）法によるＳｉでもよい。比較的安価なＣｚ−Ｓｉは、自由電子吸収の小さな１THz以上で有効である。また、Ｓｉに限ることはなく、同じ寸法なら、より高いカットオフ周波数となる半絶縁性ＧａＡｓや半絶縁性ＩｎＰを用いてもよい。また、金属膜材料もAl金属には限らない。Ti、Pd、Pt、Ni、Cr、Au金属などを用いてもよいし、金属膜（６０１など）と半導体（６１１など）の間に、バリア調節のための別の材料（金属、半金属など）を挟んでもよい。また、上記実施形態や実施例において、ダイポールアンテナの長さはλ／２に限らない。例えば、ビアを高くすることによってループアンテナに変形することもできる。この際、アンテナを形成する４要素の長さと２つのビアの高さの和がλと等しくなる様に設計すればよい。
【００３８】
更に、本発明による検出素子をアレイ状に配置し、複数の検出素子が夫々検出する被検出電磁波の電界に基づいて電界分布の画像を形成する画像形成部を備えた画像形成装置とすることも可能である。この際、アンテナ長が異なる本発明による検出素子を配置することによって、異なる周波数に対応する画像形成装置とすること可能である。アンテナの方向が異なる本発明による検出素子を配置することによって、異なる偏波に対応する画像形成装置とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１１・・・基板、１０１・・・第一導電要素、１０２・・・第二導電要素、１０３・・・第三導電要素、１０４・・・第四導電要素、１０５・・・第一接続部（第一ビア）、１０６・・・第二接続部（第二ビア）、１１１・・・低キャリア濃度半導体（ショットキーバリアダイオード）、１１２・・・高キャリア濃度半導体（ショットキーバリアダイオード）、１１３・・・誘電体層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けられたショットキーバリアダイオードとアンテナとを含む電磁波を検出する検出素子であって、
前記アンテナが、分割された第一導電要素と第二導電要素、分割された第三導電要素と第四導電要素、前記第一導電要素と前記第三導電要素を電気的に接続する第一接続部、及び前記第二導電要素と前記第四導電要素を電気的に接続する第二接続部を含み、
前記第一導電要素と前記第二導電要素、及び前記第三導電要素と前記第四導電要素が、夫々、前記電磁波の入射方向に沿って隔たった前記基板上の複数の面に形成され、前記ショットキーバリアダイオードが、前記第一導電要素と前記第二導電要素との間に電気的に接続されて設けられていることを特徴とする検出素子。
【請求項２】
前記第一導電要素と前記第二導電要素、及び前記第三導電要素と前記第四導電要素は、夫々、誘電体層により前記電磁波の入射方向に沿って隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の検出素子。
【請求項３】
前記第一導電要素と前記第二導電要素が、ダイポールアンテナを構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の検出素子。
【請求項４】
前記第一導電要素と前記第二導電要素が、夫々、前記電磁波の共振方向に沿って前記電磁波の波長の４分の１の長さを有し、前記ダイポールアンテナを構成することを特徴とする請求項３に記載の検出素子。
【請求項５】
前記第一導電要素と前記第二導電要素が、夫々、前記電磁波の共振方向に沿って前記電磁波の波長の８分の１以上８分の３以下の範囲の長さを有し、前記ダイポールアンテナを構成することを特徴とする請求項３又は４に記載の検出素子。
【請求項６】
前記アンテナが設けられた前記基板の面とは反対側の面上に、第五導電要素を備えることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の検出素子。
【請求項７】
前記第一導電要素と前記第二導電要素に電気的に夫々接続された第一スタブと第二スタブを備え、前記第一スタブと前記第二スタブが容量結合していることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の検出素子。
【請求項８】
複数の請求項１から７の何れか１項に記載の検出素子をアレイ状に配し、
前記複数の検出素子が夫々検出する被検出電磁波の電界に基づいて電界分布の画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
基板に設けられたショットキーバリアダイオードとアンテナとを含む電磁波を検出する検出素子であって、
前記アンテナが、分割された第一導電要素と第二導電要素、分割された第三導電要素と第四導電要素、前記第一導電要素と前記第三導電要素を電気的に接続する第一接続部、及び前記第二導電要素と前記第四導電要素を電気的に接続する第二接続部を含み、
前記第一導電要素と前記第二導電要素、及び前記第三導電要素と前記第四導電要素が、夫々、前記電磁波の入射方向に沿って隔たった前記基板上の複数の面に形成され、前記ショットキーバリアダイオードが、前記第一導電要素と前記第二導電要素との間に電気的に接続されて設けられていることを特徴とする検出素子。
【請求項２】
前記第一導電要素と前記第二導電要素、及び前記第三導電要素と前記第四導電要素は、夫々、誘電体層により前記電磁波の入射方向に沿って隔てられていることを特徴とする請求項１に記載の検出素子。
【請求項３】
前記第一導電要素と前記第二導電要素が、ダイポールアンテナを構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の検出素子。
【請求項４】
前記第一導電要素と前記第二導電要素が、夫々、前記電磁波の共振方向に沿って前記電磁波の波長の４分の１の長さを有し、前記ダイポールアンテナを構成することを特徴とする請求項３に記載の検出素子。
【請求項５】
前記第一導電要素と前記第二導電要素が、夫々、前記電磁波の共振方向に沿って前記電磁波の波長の８分の１以上８分の３以下の範囲の長さを有し、前記ダイポールアンテナを構成することを特徴とする請求項３又は４に記載の検出素子。
【請求項６】
前記アンテナが設けられた前記基板の面とは反対側の面上に、第五導電要素を備えることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の検出素子。
【請求項７】
前記第一導電要素と前記第二導電要素に電気的に夫々接続された第一スタブと第二スタブを備え、前記第一スタブと前記第二スタブが容量結合していることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の検出素子。
【請求項８】
複数の請求項１から７の何れか１項に記載の検出素子をアレイ状に配し、
前記複数の検出素子が夫々検出する被検出電磁波の電界に基づいて電界分布の画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２２２８３３（Ｐ２０１１−２２２８３３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９１６８２（Ｐ２０１０−９１６８２）
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１２日（２０１０．４．１２）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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